0引言
对于某些电子设备，其使用是短时的，不是持续性工作，其特点是一般瞬态工况比稳态工况热耗要大的多，时间短的多。在满足稳态工况情况下的散热设计可能满足不了瞬态工况的散热，单纯的增大散热器面积满足瞬态工况可能会造成较大的设计冗余。因此常常在发热的器件底部设计一个金属块用以瞬态吸热，同时能满足稳态工况使用，金属块面积与发热器件面积相当，因此在分析此问题时可不考虑扩散热阻。常用的金属材质有很多，比如紫铜、铝合金、不锈钢等等，选择适当的金属材料进行瞬态热设计值得深入考察。
1研究对象模型
本文以一个功率器件为研究对象，一个略大于功率器件的金属块与其紧密相贴，三维模型如图1所示。
图1 研究对象简易模型
功率器件尺寸30mm*15mm*2mm，金属块尺寸40mm*20mm*5mm，金属块略大于功率器件，可不考虑扩散热阻，瞬态工况，可不考虑模型对外的散热，仅考虑金属块在瞬态工况下吸热的温升情况。
2 吸热理论计算公式
一定质量物体吸收固定的热量，温度升高值可以通过吸热公式[1]推导得来，如式（1）所示：
（1）式中，
ΔT ：吸热物体的温升值，℃；
：功率器件热耗，W；
c：吸热物体比热容，；
m：吸热物体质量，kg；
t：总吸热时间，s；
给定质量的物体可通过上式直接计算得出吸热金属块温升，给定体积的可根据金属材质密度计算出质量再计算温升。
3 常用金属材质吸热对比
选取电源系统五种常见的金属材质，紫铜、黄铜、铝合金、碳钢、不锈钢，功率器件热耗为60W，瞬态工作10s，取吸热金属温升平均值进行分析。
在工程案例中常会遇到在给定的空间内进行热设计，金属吸热材料的体积是固定的；同时也有一些案例是给定重量的情况，只能设计增加一定重量的金属吸热材料。针对上述两种情况显然会得出不同的结论，因此选择何种金属材质进行瞬态工况的热设计则需分开探讨。
3.1 固定金属块体积
固定体积情况下，以金属比热容、密度、尺寸、热耗及工作时间根据式（1）将五种金属材质的参数一一代入得出表1吸热金属块的温升数据：
表1 固定体积情况下吸热材料温升对比
从表1得出上述五种金属中，固定体积的情况下不锈钢的吸热能力最强，温升最低37.3℃，瞬态工况热设计选用不锈钢作为吸热材料，最有利功率器件散热。固定体积的情况下铝合金吸热能力最差，温升最高59.5℃。
值得一提的是，不锈钢在上述金属中的导热系数最低，只有14.9，相比紫铜397只有其约1/26，是金属材料中导热系数几乎最低的。但上述计算忽略了扩散热阻，且将金属块视为均温体，如果实际工程案例中的吸热金属块面积较大于功率器件，则扩散热阻不容忽视，上述结论则需要视实际情况具体分析。
3.2 固定金属块质量
固定质量情况下，以金属比热容、质量、尺寸、热耗及工作时间根据式（1）将五种金属材质的参数一一代入得出表2吸热金属块的温升数据，此处取金属块质量100g。
表2 固定质量情况下吸热材料温升对比
从表2得出上述五种金属中，固定质量的情况下铝合金的吸热能力最强，温升最低6.7℃，瞬态工况热设计选用铝合金作为吸热材料，最有利功率器件散热。固定质量的情况下黄铜吸热能力最差，温升最高15.3℃。
固定质量的计算依然是忽略了扩散热阻，且将金属块视为均温体，如果实际工程案例中的吸热金属块面积较大于功率器件，则扩散热阻不容忽视，上述结论则需要视实际情况具体分析。
3.3 综合分析
将固定体积和固定质量情况得出的金属块瞬态吸热温升数据汇总绘制柱状图，见图2：
图2 金属温升对比柱状图
从图2中可清晰看出，固定体积和固定质量得出的温升结论差距较大，尤其是铝合金材料，固定体积情况吸热能力最差，固定质量情况吸热能力最强，完全颠倒过来。
在实际工程案例中，需要同时兼顾稳态工况，吸热金属块可能会较大于功率器件，此时扩散热阻不容忽视，得出结论可能与本文结果不一致。在考虑扩散热阻的情况导热系数较高的紫铜和铝合金扩散能力较强，在相同的条件下更有可能使吸热金属块温升较低，进而功率器件温升较低，实际情况需要通过更详细的计算或者仿真才能得到真实的结果。
4 结论
固定体积的情况下不锈钢吸热能力最强，器件温升最低，固定质量的情况下铝合金吸热能力最强，器件温升最低。但因不锈钢导热系数较小，只适用于金属块面积和发热器件面积相当的情况。金属块面积比发热器件大较多的情况或需要兼顾稳态散热的应选择吸热及导热能力都较强的紫铜或铝合金，具体情况具体分析。
参考文献：
[1] （美）F.P.Incropera.传热和传质基本原理[M].葛新石、叶宏，译.北京：化学工业出版社，2018:58-80.
